Delovanje - termodinamični cikel

Tehnologija delovanja toplotne črpalke ni nič drugačna kot delovanje hladilnika, le proces je obrnjen v drugo smer. Med tem, ko hladilnik odvzema toploto iz notranjosti ter jo oddaja preko lamel na zadnji strani v prostor, toplotna črpalka odvzema toploto od zunaj in jo preko ogrevalnega sistema (talno ogrevanje, radiatorji) oddaja v naš bivalni prostor. Toplotna črpalka torej črpa toploto iz (zunanjega) prostora, od tod tudi njeno ime – toplotna črpalka. Poleg štirih glavnih komponent je rdeča nit delovanja toplotne črpalke poseben, okolju prijazen plin (hladivo), ki ima to lastnost, da se začne spreminjati v paro že pri temperaturah, veliko nižjih od 0°C.  Pri višji temperaturi in tlaku pa kondenzira (se utekočini) in oddaja t.i. kondenzacijsko toploto.

V štirih korakih do toplega doma

1. UPARJANJE

Plin, ki je v agregatnem stanju kapljevine mediju odvzeme toploto in se preko uparjalnika upari - preide iz tekočega v plinasto agregatno stanje. Temperatura v okolici je namreč nižja od temperature vrelišča (uparjanja) vgrajenega plina. Temu po enostavneje pravimo, da toplotna črpalka odvzema toploto iz vode, zraka ali zemlje.

V uparjalniku se torej utekočinjeno hladilno sredstvo segreje in izpari - spremeni se v plin. Tekočina z izparevanjem od okolice sprejme nekaj toplote in plin nato potuje do kompresorja.

2. KOMPRESIJA

Plin iz uparjalnika potuje v kompresor, ki ga mehansko stisne. S kompresijo (stiskanjem) plinu dvignemo tlak, zaradi plinskega zakona pa se dvigne tudi temperatura, t.i. kondenzacijska temperatura in zmanjša volumen in mu s tem poveča tlak, posledično pa tudi temperaturo. V toplotnih črpalkah se vgrajujeta dva različna tipa kompresorjev:

  • Batni kompresor se uporablja pri toplotnih črpalkah za ogrevanje.
  • Rotacijski kompresor (RT) se uporablja pri sanitarnih toplotnih črpalkah, ki ima 30% večjo učinkovitost v primerjavi z batnimi kompresorji.

Za skoraj celoten proces delovanja toplotne črpalke je potrebna le električna energija, ki poganja kompresor.

Plinski zakon Da bi bolje razumeli delovanje toplotne črpalke, moramo poznati plinski zakon, ki pravi, da če pline stisnemo (povečamo tlak), se jim zviša temperatura, če pa se plini razširjajo, pa se jim temperatura niža.  Ključna je tudi lastnost tekočin; čim višji je tlak v tekočini, tem višja temperatura je potrebna za tekočina začne vreti in obratno.

3. KONDENZACIJA

Zaradi odvzema toplote in višjega tlaka se plinu spremeni agregatno stanje, ta se utekočini. Stisnjen plin nadaljuje pot skozi kondenzator (hladilniku plina), kjer zaradi odvzema toplote in višjega tlaka se spremeni agregatno stanje, ta se utekočini (ohladi). Plin pri tem vodimo skozi cevi, ki jih od zunaj obliva voda. Pri tem plin odvaja toploto in kondenzira – se utekočini. Ko plin kondenzira hkrati oddaja toploto, to pa je tista toplota, ki jo mi koristimo. Dobljena toplota s pomočjo toplotnega izmenjevalca segreva vodo, ki jo uporabimo za ogrevanje ali sanitarno vodo. Hladivo v sistemu ekspandira skozi dušilni ventil oz. kapilaro na nižji tlak.

4. EKSPANZIJA

Celoten cikel se zaključi z ekspanzijskim ventilom. Namen ekspanzije je zniževanje tlaka v sistemu. Nižji tlak pa povzroči znižanje vreliščne temperature. Hladivo se nato na račun zmanjšanja gostote začne ohlajati, saj je nastala ekspanzija. Tlak plina in temperatura se vrneta na prvotno vrednost. Krožni proces je tako sklenjen, ko hladivo preide iz ekspanzijskega elementa ponovno v uparjalnik.

Ostale komponente

  • Električni grelec: Ta element služi predvsem v primeru, ko se poveča poraba sanitarne vode.
  • Izmenjevalec za priklop dodatnega vira toplote: Gre v bistvu za orebreno cev iz nerjaveče pločevine, ki je uporabna predvsem zato, da je omogočen prenos toplote. Ta izmenjevalec je idealen predvsem za priklop solarnega sistema ali centralne peči.
  • Plin (hladivo oz.medij) Hladiva (snovi z nizkimi temperaturami uparjanja) se uporabljajo v toplotnih črpalk kot delovno sredstvo, ki v uparjalniku pod vplivom toplote, ki je bila odvzeta iz okolice prehajajo iz tekočega v plinasto stanje.

Za črpanje toplote na višjo temperaturno raven in prav tako za samo delovanje toplotne črpalke, je torej potrebno v sistem dovesti potrebno energijo. To pomeni, da toplotna črpalka za pogon kompresorja, porablja električno energijo. Bistveno je to, da nam sistem toplotne črpalke vrne več toplotne energije, kot smo jo vložili v delo kompresorja. Razmerje med pridobljeno toplotno energijo na kondenzatorju in vloženim delom kompresorja imenujemo grelno število - COP. Sodobne črpalke lahko dosežejo število 5. Tako na primer iz 1 kWh pogonske energije, nastane 4 kWh ogrevalne energije. COP je v tem primeru 4. Najvišja grelna števila imajo toplotne črpalke tipa voda-voda in sicer od 4,5 do 5,5, sledijo jim zemlja-voda s4 do 4,5, zrak-voda pa imajo grelno število okoli 3 do 3,5.